제공 : 마우저 일렉트로닉스
이동통신 업계에서는 기술이 한 단계씩 발전할 때마다 ‘세대'(Generations, 줄여서 ‘G’)라는 용어를 꾸준히 붙여왔다. 그러다보니 오늘날의 이동통신기술에 사용되는 셀룰러 기법을 사용하기 전의 아날로그 통신 방식은 '0G'로 표기하는 식이다.
아날로그 및 디지털 기술은 1970년대 후반~1980년대 초반에 본격적으로 개발되기 시작했다. '1G'는 전화 송수신에는 아날로그 무선 신호를 활용하지만, 백홀(코어망)에는 디지털 시스템을 활용하는 셀룰러 이동통신 기술을 기반으로 했다. 1990년대 초반에 등장한 '2G'는 전면적인 디지털 시스템이었다. 2000년대에 들어설 무렵에는 2.5G, 2.75G의 향상된 기능을 기반으로 한 '3G'가 등장하면서 더 많은 양의 데이터 처리가 가능해져 향후 스마트폰 등장을 위한 초석이 되었다. 그리고 3G 기술이 더욱 향상되면서 모바일 인터넷과 스트리밍 비디오의 처리 속도가 크게 개선되었다.
2009년 스칸디나비아에서 도입된 4G는 LTE(Long Term Evolution) 표준을 기반으로 한다. 이후 4G는 전 세계적으로 상용화되었으며 오늘날 가장 대중적인 모바일 기술로 자리잡았다. 4G는 최대 100Mbps의 처리 속도를 제공하며(3G의 경우 약 15Mbps) HD 비디오, 온라인 게이밍, 화상 회의를 지원한다.
다음 세대인 5G는 2016년 등장했으며, 오늘날 다양한 5G 네트워크 상품이 출시되고 있다. 5G는 최대 32Gbps의 다운링크와 13.6Gbps의 업링크의 막강한 속도를 자랑한다. 5G 기술이 완전하게 보급되면 이는 향후 인터넷 연결에 있어 광 케이블에 견줄 정도로 강력한 경쟁력을 갖추게 될 것이다. 또한 5G는 4G에 비해 더 낮은 대기 시간, 더 나은 커버리지, 그리고 향상된 스펙트럼 효율성을 자랑한다.
이 같은 면에서 보면 5G는 4G와 비슷하지만, 규모나 성능 면에서 더 우수한 기술이라고 할 수 있다. 5G의 역량은 여기에 그치지 않는다. 5G는 줌(Zoom), 넷플릭스(Netflix), 틱톡(TikTok) 사용자는 크게 체감하지 못할지라도, 사물 인터넷(IoT)의 성장에 있어서는 결정적인 역할을 한다.
5G NR(New Radio)
세계 7대 이동통신 표준 개발 기구의 연합체인 3GPP는 5G 기술이 깐깐한 소비자들은 물론이고 기업 및 단체뿐만 아니라 IoT 분야에서 앞으로 제기될 수 있을 만한 다양한 요구 사항들을 충족할 수 있도록 하기 위해 상당한 공을 들여왔다. 그동안 엔지니어들은 IMT(International Mobile Telecommunications)-2020 표준 기술방식에 대해 상세히 기술한 문서를 체계화했다. IMT-2020은 국제전기통신연합(ITU)에서 채택한 5G의 국제 표준안으로서, 5G 네트워크 구축 방안을 제시하며 소비자 가전 및 산업용 요구 사항에 대해서도 자세히 규정한다. 이 표준에서는 최고 20Gbps의 데이터 전송 속도, 통상 100Mbps의 사용자 체감 데이터 전송 속도, 1ms 이내의 지연 시간, 1㎡ 당 10Mbps의 '면적당 트래픽 용량', 1㎢ 당 100만 대의 단말기 연결 밀도 등을 규정하고 있다.
이들 가이드라인은 5G 네트워크를 구축함에 있어 빠른 속도(소비자 가전 및 상업 애플리케이션용)와 높은 기기 밀도(IoT용)를 어떻게 조합해야 하는지에 대한 명확한 기준을 제시한다. 4G의 경우에는 네트워크를 적절히 조정함으로써 NB-IoT와 LTE-M 등의 셀룰러 IoT 기술을 지원할 수 있지만, 소비자 가전 중심적인 면이 강하다. 반면, 5G 네트워크의 커버리지는 기기의 연결 밀도로 그 방대한 규모를 이해할 수 있다. 일본 도쿄의 경우 평균 인구 밀도는 1㎢ 당 6,000명 이상이며 대부분의 사람들이 최소 한 대의 모바일 기기를 사용 중이다. 만약 이들이 모두 인터넷 접속을 시도하더라도 기존의 로컬 네트워크가 아직까지는 이를 커버할 수 있다. 물론 이 정도의 수용 능력도 대단한 것이지만, 5G 기술은 수용 가능한 기기 밀도가 이보다 100배는 더 높다.
5G가 소비자 가전과 IoT라는 두 마리 토끼를 어떻게 잡을지는 IMT-2020의 세부 사항을 보면 알 수 있다. 이 문서는 '기존 사용자를 위한 5G LTE 기술'과 'IoT 고유 요구 사항 및 기타 사용 사례를 위한 NR' 두 가지 요소에 대해 설명한다. 엔지니어들은 이들 요소를 ‘무선 인터페이스 기술(RIT)’이라고 일컫는다.
이들 중에서 LTE와 NR RIT는 다음과 같은 5가지 사용 환경에서 모든 기술 성능 요건들을 충족한다.
1. 실내 핫스팟(eMBB(enhanced Mobile Broadband) 사용)
2. 도심 밀집 지역(eMBB 사용)
3. 도심 외곽 지역(eMBB 사용)
4. 대도심지(URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication) 사용)
5. 대도심지(mMTC(massive Machine Type Communication) 사용)
마지막 두 가지인 URLLC와 mMTC(관련 부분) 사용 환경이 기본적으로 IoT를 지원한다.
LTE와 NR의 IMT 사용 가능 대역에는 7.125GHz 미만의 주파수 대역도 포함되지만, NR의 경우에는 24.25GHz 이상의 IMT 주파수 대역에서도 동작한다. 한편 3.3GHz ~ 7.125GHz의 주파수 대역인 '상위 중대역'은 5G의 핵심 대역이며, 소비자 가전과 상업용으로 적합한 처리량과 주파수 범위를 제공한다. 그리고 24GHz 이상의 '고대역'은 높은 기기 밀도와 극한의 처리량 요건을 모두 대응할 수 있다.
기대 이상의 높은 잠재력을 가진 5G
5G는 심지어 셀룰러 기술을 기반으로 할 필요도 없는 것으로 밝혀진 바 있다. IMT-2020 기술 표준에는 DECT-2020 NR을 ‘최초의 비셀룰러 5G 표준’이라고 언급한 내용이 있다. 이 표준은 1㎢ 범위에서 100만 대의 기기 연결 밀도 조건을 충족하는 것으로 나타나며, 엄격하게 셀룰러 기술은 아닐지라도 셀룰러 시스템으로부터 많은 기술을 차용한다.
DECT-2020 NR은5G의 범위를 식별하는 데 있어서 IMT-2020이 얼마나 포괄적인지를 보여주는 흥미로운 기술이다. 이 기술은 5G 운용에 있어 보통 라이선스 면제(license-free)로 설정된 글로벌 1.9MHz 대역을 사용하며, 무선 메시 또는 기타 유형의 네트워크에서 mMTC를 지원할 것이다. 이러한 네트워크들은 일반적으로 매우 높은 배포 밀도와 높은 신뢰성, 낮은 지연 시간으로 산업 자동화 애플리케이션에 사용되는 수천 개의 소형 센서나 액추에이터와 같은 IoT 애플리케이션을 지원한다.
DECT-2020 NR은 mMTC에 사용되는 다른 무선 IoT 기술과 견줄 만하다. 예를 들어, 노드 밀도를 최대 용량까지 높일 경우, 이 기술은 10ms 이내의 지연 시간으로 최대 100kbps를 처리할 수 있다. 이는 통상적인 IoT 애플리케이션에 이상적이다.
5G는 기존의 이동통신뿐만 아니라, IoT와 같이 새롭게 떠오르는 무선 기술을 지원하도록 설계된 1세대 셀룰러(비셀룰러 기술도 일부 적용) 모바일 기술이다. 이미 6G도 개발 중이며, 이는 5G보다도 훨씬 빠른 속도를 자랑할 것이다. 6G는 100GHz ~ 3THz의 주파수를 사용할 예정이며, 소비자 가전 및 IoT 애플리케이션을 넘어 인공지능(AI)이나 완전 몰입형 가상현실(VR)과 같은 새로운 분야에도 활용될 것이다. 또한 차세대 모바일 무선 기술 도입의 주기가 10년이라는 점을 감안하면, 2030년에는 매장에서 6G 지원 스마트폰을 볼 수 있을 것으로 예상된다.
▶저자 소개
: 스티븐 키핑(Steven Keeping)은 영국 브라이튼 대학 출신으로 Eurotherm과 BOC의 전자부서에 7년간 재직했다. 이후 전자 제조 잡지 분야로 옮겨 13년 간 영국과 오스트레일리아를 오가며 Trinity Mirror, CMP, RBI에서 What's New in Electronics와 Australian Electronics Engineering을 비롯해 전자 제조, 테스트, 설계 잡지의 편집자 및 발행인 직책을 역임했다. 현재 전자 분야를 전문으로 하는 프리랜서 기고가로 활동 중이다.
